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Kubernetes(K8s)入门到实践(一)—-Kubernetes入门
Kubernetes(K8s)入门到实践(二)—-Kubernetes的基本概念和术语
Kubernetes(K8s)入门到实践(三)—-Kubernetes Centos7集群安装
上一节详细描述了Kubernetes的历史和发展过程。这一节就重点描述一下Kubernetes中的大部分概念如Node、Pod、Replication Controller、Service等。
Kubernetes架构图:
1.1 Master
Kubernetes里的Master指的是集群控制节点，在每个Kubernetes集群里都需要有一个Master来负责整个集群的管理和控制，基本上Kubernetes的所有控制命令都发给它，它负责具体的执行过程，我们后面执行的所有命令基本都是在Master上运行的。
Master通常会占据一个独立的服务器（高可用部署建议用3台服务器），主要原因是它太重要了，是整个集群的“首脑”，如果它宕机或者不可用，那么对集群内容器应用的管理都将失效。
在Master上运行着以下关键进程。
- Kubernetes API Server（kube-apiserver）：提供了HTTP Rest接口的关键服务进程，是Kubernetes里所有资源的增、删、改、查等操作的唯一入口，也是集群控制的入口进程。
- Kubernetes Controller Manager（kube-controller-manager）：Kubernetes里所有资源对象的自动化控制中心，可以将其理解为资源对象的“大总管”。
- Kubernetes Scheduler（kube-scheduler）：负责资源调度（Pod调度）的进程，相当于公交公司的“调度室”。
- 在Master上通常还需要部署etcd服务，因为Kubernetes里的所有资源对象的数据都被保存在etcd中。
1.2 Node
除了Master，Kubernetes集群中的其他机器被称为Node
在较早的版本中也被称为Minion。与Master一样，Node可以是一台物理主机，也可以是一台虚拟机。Node是Kubernetes集群中
的工作负载节点，每个Node都会被Master分配一些工作负载（Docker容器），当某个Node宕机时，其上的工作负载会被Master自动转移到其他节点上。
在每个Node上都运行着以下关键进程：
- kubelet：负责Pod对应的容器的创建、启停等任务，同时与Master密切协作，实现集群管理的基本功能。
- kube-proxy：实现Kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件。
- Docker Engine（docker）：Docker引擎，负责本机的容器创建和管理工作。
Node可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中，前提是在这个节点上已经正确安装、配置和启动了上述关键进程，在默认情况下kubelet会向Master注册自己，这也是Kubernetes推荐的Node管理方式。
一旦Node被纳入集群管理范围，kubelet进程就会定时向Master汇报自身的情报，例如操作系统、Docker版本、机器的CPU和内存情况，以及当前有哪些Pod在运行等，这样Master就可以获知每个Node的资源使用情况，并实现高效均衡的资源调度策略。
而某个Node在超过指定时间不上报信息时，会被Master判定为“失联”，Node的状态被标记为不可用（Not Ready），随后Master会触发“工作负载大转移”的自动流程。
1.3 Pod
Pod是Kubernetes最重要的基本概念，我们看到每个Pod都有一个特殊的被称为“根容器”的Pause容器。
Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或多个紧密相关的用户业务容器。
为什么设计Pod？
原因一：在一组容器作为一个单元的情况下，我们难以简单地对“整体”进行判断及有效地行动。比如，一个容器死亡了，此时算是整体死亡么？是N/M的死亡率么？引入业务无关并且不易死亡的Pause容器作为Pod的根容器，以它的状态代表整个容器组的状态，就简单、巧妙地解决了这个难题。
原因二：Pod里的多个业务容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂接的Volume，这样既简化了密切关联的业务容器之间的通信问题，也很好地解决了它们之间的文件共享问题。
Kubernetes为每个Pod都分配了唯一的IP地址，称之为Pod IP，一个Pod里的多个容器共享Pod IP地址。Kubernetes要求底层网络支持集群内任意两个Pod之间的TCP/IP直接通信，这通常采用虚拟二层网络技术来实现，例如Flannel、Open vSwitch等，因此我们需要牢记一点：在Kubernetes里，一个Pod里的容器与另外主机上的Pod容器能够直接通信。
Flannel是CoreOS 团队针对Kubernetes 设计的一个网络规划服务，简单来说，它的功能是让集群中的不同节点主机创建的Docker 容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。而且它还能在这些IP 地址之间建立一个覆盖网络（Overlay Network），通过这个覆盖网络，将数据包原封不动地传递到目标容器内
ETCD 之 Flannel提供说明： > 存储管理Flannel 可分配的IP 地址段资源 > 监控ETCD 中每个 Pod 的实际地址，并在内存中建立维护 Pod 节点路由表
不同情况下网络通信方式同一个Pod 内部通讯：
同一个Pod 共享同一个网络命名空间，共享同一个Linux 协议栈Pod1 至Pod2 > Pod1 与Pod2 不在同一台主机，Pod的地址是与docker0在同一个网段的，但docker0网段与宿主机网卡是两个完全不同的IP网段，并且不同Node之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。
将Pod的IP和所在Node的IP关联起来，通过这个关联让Pod可以互相访问 > Pod1 与Pod2 在同一台机器，由Docker0 网桥直接转发请求至Pod2，不需要经过Flannel
目前基于性能考虑，全部为iptables 维护和转发Pod 到外网：Pod 向外网发送请求，查找路由表, 转发数据包到宿主机的网卡，宿主网卡完成路由选择后，iptables执行Masquerade，把源IP 更改为宿主网卡的IP，然后向外网服务器发送请求外网访问Pod：Service
Pod及周边对象
1.4 Label
Label（标签）是Kubernetes系统中另外一个核心概念。一个Label是一个key=value的键值对，其中key与value由用户自己指定。
Label可以被附加到各种资源对象上，例如Node、Pod、Service、RC等，一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象上。
Label通常在资源对象定义时确定，也可以在对象创建后动态添加或者删除。
一些常用的Label:
- 版本标签：”release”:”stable”、”release”:”canary”。
- 环境标签：”environment”:”dev”、”environment”:”qa”、”environment”:”production
- 架构标签：”tier”:”frontend”、”tier”:”backend”、”tier”:”middleware”
- 分区标签：”partition”:”customerA”、”partition”:”customerB”
- 质量管控标签：”track”:”daily”、”track”:”weekly”
Label相当于我们熟悉的“标签”。
给某个资源对象定义一个Label，就相当于给它打了一个标签，随后可以通过Label Selector（标签选择器）查询和筛选拥有某些Label的资源对象，Kubernetes通过这种方式实现了类似SQL的简单又通用的对象查询机制。
Label Selector在Kubernetes中的重要使用场景如下:
kube-controller进程通过在资源对象RC上定义的Label Selector来筛选要监控的Pod副本数量，使Pod副本数量始终符合预期设定的全自动控制流程。kube-proxy进程通过Service的Label Selector来选择对应的Pod，自动建立每个Service到对应Pod的请求转发路由表，从而实现Service的智能负载均衡机制。- 通过对某些Node定义特定的Label，并且在Pod定义文件中使用NodeSelector这种标签调度策略，
kube-scheduler进程可以实现Pod定向调度的特性。
1.5 Replication Controller
Replication Controller（RC）是Kubernetes系统中的核心概念之一，简单来说，它其实定义了一个期望的场景，即声明某种Pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值，所以RC的定义包括如下几个部分：
- Pod期待的副本数量
- 用于筛选目标Pod的Label Selector
- 当Pod的副本数量小于预期数量时，用于创建新Pod的Pod模板（template）
在我们定义了一个RC并将其提交到Kubernetes集群中后，Master上的Controller Manager组件就得到通知，定期巡检系统中当前存活的目标Pod，并确保目标Pod实例的数量刚好等于此RC的期望值，如果有过多的Pod副本在运行，系统就会停掉一些Pod，否则系统会再自动创建一些Pod。
通过RC，Kubernetes实现了用户应用集群的高可用性，并且大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作（如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等）。
在Kubernetes 1.2中，升级为另外一个新概念—Replica Set，官方解释其为“下一代的RC”。Replica Set与RC当前的唯一区别是，Replica Sets支持基于集合的Label selector（Set-based selector），而RC只支持基于等式的Label Selector（equality-based selector），这使得Replica Set的功能更强。
RC（Replica Set)的一些特性与作用：
- 在大多数情况下，我们通过定义一个RC实现Pod的创建及副本数量的自动控制。
- 在RC里包括完整的Pod定义模板。
- RC通过Label Selector机制实现对Pod副本的自动控制。
- 通过改变RC里的Pod副本数量，可以实现Pod的扩容或缩容。
- 通过改变RC里Pod模板中的镜像版本，可以实现Pod的滚动升级。
1.6 Deployment
Deployment是Kubernetes在1.2版本中引入的新概念，用于更好地解决Pod的编排问题。为此，Deployment在内部使用了Replica Set来实现目的，无论从Deployment的作用与目的、YAML定义，还是从它的具体命令行操作来看，我们都可以把它看作RC的一次升级，两者的相似度超过90%。
Deployment相对于RC的一个最大升级是我们可以随时知道当前Pod“部署”的进度。实际上由于一个Pod的创建、调度、绑定节点及在目标Node上启动对应的容器这一完整过程需要一定的时间，所以我们期待系统启动N个Pod副本的目标状态，实际上是一个连续变化的“部署过程”导致的最终状态。
Deployment的典型使用场景有以下几个：
- 创建一个Deployment对象来生成对应的Replica Set并完成Pod副本的创建。
- 检查Deployment的状态来看部署动作是否完成（Pod副本数量是否达到预期的值）。
- 更新Deployment以创建新的Pod（比如镜像升级）。
- 如果当前Deployment不稳定，则回滚到一个早先的Deployment版本。
- 暂停Deployment以便于一次性修改多个PodTemplateSpec的配置项，之后再恢复Deployment，进行新的发布。
- 扩展Deployment以应对高负载。
- 查看Deployment的状态，以此作为发布是否成功的指标。
- 清理不再需要的旧版本ReplicaSets。
1.7 HPA（HorizontalPodAutoScale）
Horizontal Pod Autoscaling 仅适用于Deployment 和ReplicaSet ，在V1 版本中仅支持根据Pod 的CPU 利用率扩所容，在v1alpha 版本中，支持根据内存和用户自定义的metric 扩缩容
HPA与之前的RC、Deployment一样，也属于一种Kubernetes资源对象。通过追踪分析指定RC控制的所有目标Pod的负载变化情况，来确定是否需要有针对性地调整目标Pod的副本数量，这是HPA的实现原理。
1.8 StatefulSet
StatefulSet是为了解决有状态服务的问题（对应Deployments 和ReplicaSets是为无状态服务而设计）
其应用场景包括：
- 稳定的持久化存储，即Pod 重新调度后还是能访问到相同的持久化数据，基于PVC 来实现
- 稳定的网络标志，即Pod 重新调度后其PodName和HostName不变，基于Headless Service （即没有Cluster IP 的Service ）来实现
- 有序部署，有序扩展，即Pod 是有顺序的，在部署或者扩展的时候要依据定义的顺序依次依次进行（即从0 到N-1，在下一个Pod 运行之前所有之前的Pod 必须都是Running 和Ready 状态），基于init containers 来实现
- 有序收缩，有序删除（即从N-1 到0）
1.9 Service
Service服务也是Kubernetes里的核心资源对象之一，Kubernetes里的每个Service其实就是我们经常提起的微服务架构中的一个微服务，之前讲解Pod、RC等资源对象其实都是为讲解Kubernetes Service做铺垫的。
Pod、RC与Service的逻辑关系图：
从图中可以看到，Kubernetes的Service定义了一个服务的访问入口地址，前端的应用（Pod）通过这个入口地址访问其背后的一组由Pod副本组成的集群实例，Service与其后端Pod副本集群之间则是通过Label Selector来实现无缝对接的。RC的作用实际上是保证Service的服务能力和服务质量始终符合预期标准。
Service 的相关知识非常重要也比较繁杂,这里不再过多赘述。详情请看K8s中文社区-service讲解
1.10 Job Cron Job
Job 负责批处理任务，即仅执行一次的任务，它保证批处理任务的一个或多个Pod 成功结束
Cron Job管理基于时间的Job，即：在给定时间点只运行一次周期性地在给定时间点运行
1.11 Volume
Volume（存储卷）是Pod中能够被多个容器访问的共享目录。
Kubernetes的Volume概念、用途和目的与Docker的Volume比较类似，但两者不能等价。
首先，Kubernetes中的Volume被定义在Pod上，然后被一个Pod里的多个容器挂载到具体的文件目录下；其次，Kubernetes中的Volume与Pod的生命周期相同，但与容器的生命周期不相关，当容器终止或者重启时，Volume中的数据也不会丢失。最后，Kubernetes支持多种类型的Volume，例如GlusterFS、Ceph等先进的分布式文件系统。
1.12 Namespace
Namespace（命名空间）是Kubernetes系统中的另一个非常重要的概念，Namespace在很多情况下用于实现多租户的资源隔离。
Namespace通过将集群内部的资源对象“分配”到不同的Namespace中，形成逻辑上分组的不同项目、小组或用户组，便于不同的分组在共享使用整个集群的资源的同时还能被分别管理。
小结
上述这些组件是Kubernetes系统的核心组件，它们共同构成了Kubernetes系统的框架和计算模型。通过对它们进行灵活组合，用户就可以快速、方便地对容器集群进行配置、创建和管理。
下一节会详细记录一下搭建Kubernetes的过程。